KR101575105B1

KR101575105B1 - 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층, 이를 포함하는 유리패널 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101575105B1
Application number: KR1020140121118A
Authority: KR
Inventors: 장용훈; 차성운; 이윤광; 박형호
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2015-12-07
Also published as: US20160075595A1

Abstract

본 발명은 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층, 이를 포함하는 유리패널 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파노라마 선루프의 유리패널에서 충격에 취약하여 파손 위험이 존재하는 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 있어, 강화유리와 세라믹 코팅층 사이의 계면에 물리적·화학적·기계적 버퍼층을 마련함으로써, 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대한 파손을 방지하는 기술에 관한 것이다.

Description

파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층, 이를 포함하는 유리패널 및 이의 제조방법{BUFFER LAYER FOR CRASHPROTECTION OF GLASS PANEL COMPOSING PANORAMIC GLASSROOF, GLASS PANEL USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층, 이를 포함하는 유리패널 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강화유리가 사용되는 파노라마 선루프 유리패널에 있어서, 기계적 충격에 취약한 세라믹 코팅층이 형성된 영역의 계면에 물리적·화학적·기계적 버퍼층을 코팅하는 파노라마 선루프 파손 방지 기술에 관한 것이다.

본 발명의 버퍼층은 차량의 상부면에 장착되며 강화유리로 구비되는 글래스루프(glassroof)에 적용될 수 있으며, 구체적으로는 루프의 대부분이 유리로 덮여지는 파노라마 선루프(panorama sunroof), 파노라믹 글래스루프(panoramic glassroof) 혹은 문루프(moonroof)에 적용될 수 있고, 더욱 구체적으로는 이러한 파노라마 선루프에서 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대하여 적용될 수 있다.

일반적으로 선루프(sunroof)는 차량 지붕을 통해 밖을 볼 수 있거나 외부 공기의 유출입이 가능하도록 지붕의 일부를 창유리로 설치한 구조를 의미한다. 또한 파노라마 선루프(panorama sunroof)는 차량 상부면 즉, 지붕의 대부분이 고정되어 있거나 개방이 가능한 창유리로 설치되어 있어 개방감과 채광이 뛰어나고 고급스러운 외관 이미지를 구현하고 있어 최근 각광받고 있다.

파노라마 선루프는 차량과 선루프의 장착 연결 및 고정을 위한 프레임, 실내로 들어오는 햇빛을 차단하기 위하여 차량 내부 측에 설치되는 롤러 블라인드, 선루프를 작동하는 기계장치 부품들, 선루프의 개폐를 위한 동력을 공급하는 모터, 차량과 선루프 간격부의 외관 데코레이션을 위한 사이드 몰딩 등의 부수적인 부품들과 함께, 차량의 상부면을 덮는 유리패널로 구성되어 있다. 도 1에는 파노라마 선루프의 구성 중 유리패널에 대한 개략도가 도시되어 있다. 통상적으로 유리패널은 채광 및 바람막이 역할을 수행하는 전방 측의 디플렉터(deflector)(1)와, 가림막 역할을 수행하며 일반적으로 개폐가 가능한 이동 글래스(moving glass)(2)와, 일반적으로 개폐가 불가능하게 고정되어 있는 후방 측의 고정 글래스(fixed glass)(3)로 구성된다.

도 1의 유리패널에서 푸른색으로 표시된 부분은 이른바 세라믹 코팅층(혹은 에나멜 코팅층 등으로 불린다.)을 나타내며 그 외 영역은 투명한 강화유리(tempered glass) 영역을 나타낸다. 이러한 세라믹 코팅층은 일반적으로 유리패널의 가장자리 부분에 형성되어 있으며, 유리패널을 차체에 접착하고, 차체와 유리패널 사이에 형성되는 각종 내장재를 은폐하여 외관 품질을 향상시키거나 자외선을 차단하기 위한 목적으로 형성된다.

최근 파노라마 선루프 파손 동영상이 인터넷은 물론 공식적으로도 게재되고 있으며, 국토교통부 측에서 파노라마 선루프의 안정성 문제를 유엔 자동차기준조화포럼(WP29)에 공식 제기하는 등 파노라마 선루프의 파손방지 기술에 대한 관심이 부상되고 있다.

파노라마 선루프는 유리 재질로 구성되어 있어 본질적으로 충격에 취약한 구조에 해당하지만, 강화유리를 이용하기 때문에 어느 정도의 충격은 견딜 수 있는 강도를 확보하고 있다. 그러나 최근에는 위에서 언급한 "세라믹 코팅층"이 형성된 영역에 대한 일련의 파손 사례가 문제되고 있다. 구체적으로 최근의 지속적인 문제제기에 따르면 충격점이 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 위치하게 되면 거의 모든 파노라마 선루프에서 파손이 발생되는 것으로 알려져 있다. 도 2는 몇 가지 파손 사례의 사진을 보여주고 있다. 이는 유리 재질에서 통상 발생되는 자파(self-failure)라고 하는 현상과는 다르다. 또한, 지난해 자동차 안전연구원은 국제 기준에 따라 파노라마 선루프의 강도를 시험하였는데, 코팅하지 않은 강화유리 부분은 문제가 없었으나, 세라믹 코팅층이 형성된 영역의 경우에는 227g의 강구 낙하시험에서 예외없이 파손되는 것이 확인되었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목 적은 파노라마 선루프의 유리패널에서 충격에 취약하여 파손 위험이 존재하는 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 있어, 강화유리와 세라믹 코팅층 사이의 계면에 물리적·화학적·기계적 버퍼층을 마련함으로써, 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대한 파손을 방지하는 기술을 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(Panoramic glassroof) 유리패널의 파손을 방지하기 위한 버퍼층(buffer layer)에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 유리패널을 구성하는 강화유리(tempered glass) 상부면에 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 있어 상기 강화유리와 세라믹 코팅층의 계면에 형성되며, 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 코팅물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층을 제공한다. 이때 상기 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있다.

상기 코팅물질은 산화물, 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)일 수 있으며, 바람직하게는 ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 산화물, AlN, GaN로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 알루미나(Alumina, Al₂O₃)일 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(panorama sunroof) 유리패널에 있어서, 강화유리; 상기 강화유리의 상부면 소정 영역에 코팅된 버퍼층; 및 상기 버퍼층이 형성된 영역에 코팅된 세라믹 코팅층; 을 포함하며, 상기 버퍼층은 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 코팅물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널을 제공한다. 이때, 상기 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 버퍼층은 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 사이에 2 이상의 복수층(multi layer)으로 형성될 수 있으며, 상기 복수층은 상기 버퍼층이 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 사이에 2 이상이 연속적으로 적층되어 형성되거나, 상기 강화유리의 상부면에 2 이상의 상기 버퍼층과 세라믹 코팅층이 번갈아 코팅되어 형성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(panorama sunroof) 유리패널의 제조방법에 있어서, 강화유리 원판을 절단 가공하는 전처리 단계(S10); 전처리된 강화유리 상부면 소정 영역에 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 코팅물질을 포함하는 버퍼층을 코팅하는 버퍼층 형성단계(S20); 상기 버퍼층이 코팅된 영역에 세라믹 코팅층을 코팅하는 세라믹 코팅층 형성단계(S30); 및 버퍼층과 세라믹 코팅층이 적층 코팅된 강화유리를 가열, 성형 및 냉각하는 후처리 단계(S40);를 포함하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법을 제공한다.

상기 버퍼층 형성단계(S20)에서 코팅되는 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있으며, 상기 버퍼층 형성단계(S20)에서 2 이상의 버퍼층이 연속적으로 코팅되어 복수층을 형성하거나, 상기 버퍼층 형성단계(S20)와 세라믹 코팅층 형성단계(S30)가 번갈아 수행되어 상기 강화유리 상부면에 2 이상의 상기 버퍼층과 세라믹 코팅층이 번갈아 코팅될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층, 이를 포함하는 유리패널 및 이의 제조방법은, 상대적으로 충격에 취약하다고 알려진 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대하여 강화유리와 세라믹 코팅층 사이의 계면에 버퍼층을 형성하여, 물리화학적으로 계면에서의 이질감을 완화하고 기계적인 응력(stress) 집중을 덜어줌으로써, 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대한 파손을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 파노라마 선루프 유리패널의 개략적인 구조이다.
도 2는 파노라마 선루프의 파손사례 사진이다.
도 3은 파노라마 선루프에 있어, 강화유리 상부면에 세라믹 코팅층을 형성하는 공정의 개략도이다.
도 4는 분쇄된 세라믹 코팅층의 샘플과 이의 표면에 대한 SEM 이미지이다.
도 5는 도 4의 샘플 표면의 SEM을 통한 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 조성분석 결과이다.
도 6는 유리패널 샘플의 표면 거칠기(Roughness)를 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 관찰한 이미지로, 도 6a는 세라믹 코팅층이 형성되기 전 코팅필름의 표면 이미지이고, 도 6b는 세라믹 코팅층이 형성된 샘플의 표면 이미지이다.
도 7a는 세라믹 코팅층이 형성된 영역에서의 단면을 보여주는 SEM 이미지이며, 도 7b는 단면에 대한 EDS 조성분석 결과이다.
도 8은 EDS를 이용하여 도 7a의 단면에 대한 확대 이미지이며, 상부(푸른색 표시영역)와 하부(붉은색 표시영역)으로 나누어 부분적 원소 구성을 분석한 결과이다.
도 9는 원판 강화유리에 세라믹을 코팅하여 유리패널을 형성하는 과정에 대한 공정도이다.
도 10은 본 발명의 시뮬레이션 실험에 있어서 종래 유리패널에 대응하는 비교예 모델이다.
도 11은 본 발명의 시뮬레이션 실험에 있어서 도 9의 공정 조건에 대응하는 시뮬레이션 하중 조건이다.
도 12는 본 발명의 시뮬레이션 실험에 사용된 각 층 성분에 대한 물성값이며, 도 12a는 열전도도(thermal conductivity), 도 12b는 탄성계수(modulus of elasticity)와 푸아송비(Poisson's ration), 도 12c는 열팽창계수(coefficient of thermal expansion), 도 12d는 항복응력(MPa)이상에서의 소성변형률에 관한 물성값이다.
도 13은 본 발명의 시뮬레이션 실험에 있어서, 종래 유리패널에 대응하는 도 10의 비교예 모델에 대하여 도 11의 하중 조건을 가한 후 각 부분에서 측정된 굽힘응력(bending stress, σ₁₁)와 전단응력(shearing stress, σ₁₂) 값을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 본 발명의 시뮬레이션 실험에 있어서 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리패널에 대응하는 실시예 모델이다.
도 15는 본 발명의 시뮬레이션 실험에 있어서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대응하는 도 14의 실시예 모델에 대하여 도 11의 하중 조건을 가한 후 각 부분에서 측정된 굽힘응력(bending stress, σ₁₁) 값을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

본 발명은 차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프 유리패널의 파손을 방지하기 위한 버퍼층(buffer layer) 및 이를 포함하는 유리패널과, 유리패널의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 최근 문제되고 있는 파노라마 선루프의 파손 사례, 구체적으로는 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 대한 파손 사례에 대한 원인을 규명하고 이에 대한 해결책을 제시하는 과정에서 착안되었다.

이하 이러한 과정에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 파노라마 선루프를 구성하고 있는 유리패널의 재질과 제작 공정에 대하여 살펴본다.

파노라마 선루프의 유리패널은 통상 강화유리로 되어 있으며 구조 및 안전 성능에 대하여 자동차 안전기준에 의거하고 있다. 이 기준의 제34조 및 제105조 조항에 따르면 구체적인 자동차 유리에 대한 기준이 제시되어 있으며 특히 제105조 조항에는 특정 기계적 강도를 가지고 있어야 한다고 제시되어 있다.

강화유리(tempered glass)는 판유리를 열처리(500~700℃ 가열한 후 압축공기로 급냉)하여 유리 표면에 강한 압축응력 층을 의도적으로 형성하여 외력의 작용 및 온도 변화에 대한 강도를 증가시킨 유리이다. 강도가 강하고 파손 시 날카롭지 않으며 성형이 쉽고 가볍다는 장점이 있다.

강화유리를 자동차 유리에 사용하는 경우 일정 수준 이상의 강도 시험을 통과해야 하는데, 자동차 창유리 시험에 관한 세부 규칙에는 227g의 강구를 2m 높이에서 낙하하여 파손이 되지 말아야 한다고 규정하고 있다. 위 세부 규칙에는 어느 지점에 낙하시켜야 하는지에 대해서는 구체적으로 규정하고 있지 않으나 자동차 안전기준 시행세칙에서 강화유리의 강도를 "균일하게 강화된 유리"로 정의하고 있는 점에 비추어 볼 때, 어느 지점이든 균일한 강도를 유지해야 하는 것으로 해석 가능하다.

한편, 강도 시험에서 문제시 되고 있는 "세라믹 코팅층이 형성된 영역"에 대하여 살펴본다. 위에서 살펴본 바와 같이 세라믹 코팅은 내장재를 은폐하여 외관 품질을 향상시키고 브라켓 접합 등에 의해 야기되는 문제를 보완하며 자외선을 차단하기 위한 목적으로 사용된다. 사용되는 세라믹 도료는 크게 세 가지로 구분된다.

첫째, 유리분말(Frit)로 약 50~70%를 차지하며 Bi, Zn 등을 포함하고 있고, 둘째, 안료(Pigment)로 약 15~35%를 차지하며 색상을 결정하고 있고, 셋째 매질(medium) 부분이 용매(solvent)나 수지(resin)로 약 15~35%를 차지하며 점도를 결정한다. 전체 두께는 약 20~25㎛ 수준이다.

도 3에는 세라믹 코팅층을 형성하는 공정에 대한 개략도가 도시되어 있다. 유리분말의 경우 기판의 유리와 비슷한 조성으로 구성되며, 세라믹 코팅 재료의 녹는점을 조절하는 기능을 수행한다. 여기에 내장재 은폐, 외관의 품질 향상 및 자외선 차단 등의 특성을 부여하기 위해 금속 성분의 안료가 사용되고, 매질의 성분 조절을 통해 세라믹 도료의 점도가 조절된다.

배합된 세라믹 도료를 스크린 프린팅(screen printing), 분사 코팅(spray coating) 등의 방식을 통해 유리 표면에 인쇄한다. 이 후 UV 건조나 IR 건조를 수행하여 매질 성분을 휘발시킨다. 그 후 열처리를 통한 소성 공정으로 유리분말 및 안료 성분을 유리 표면에 균일하게 융착시킴으로써 위와 같은 세라믹 코팅층의 기능을 유리 표면에 발현시킨다.

도 4는 세라믹 코팅층이 형성된 영역의 분쇄 파편으로 제작된 샘플의 표면 SEM 이미지이다. 도 4를 참고할 때 세라믹 코팅층 영역의 표면은 대체로 거친 형상을 하고 있으며 이는 열처리로 인한 결과로 판단된다. 또한 10000배 이상으로 확대할 경우 유리분말의 형상이 관찰되며, 역시 열처리로 인해 표면의 조밀화가 가속화된 모습을 보이고 있다.

도 5의 상기 샘플 표면의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 조성분석 결과를 살펴보면, 유리분말의 성분이 되는 Si, O, Na, Bi 등이 검출되며, Cr, Cu, Ti 등의 안료 성분 또한 검출되는 것을 볼 수 있다. C의 검출이 일어나지 않고 있는데 이는 바인더 형태로 첨가되었던 탄소 성분이 열처리 과정에서 모두 휘발된 것으로 판단된다.

AFM(Atomic Force Microscope)를 이용하여 샘플 표면의 거칠기를 확인하였다. 도 6a는 세라믹 코팅층이 형성되기 전 코팅필름의 표면 이미지이고, 도 6b는 세라믹 코팅층이 형성된 샘플의 표면 이미지이다. 세라믹 코팅층의 부착 공정과 열처리 공정에 의해 표면의 균일도가 향상된 것으로 보이며 표면에 존재하는 입자의 크기도 대폭 축소된 모습이다.

도 7a는 세라믹 코팅층이 형성된 영역에서의 단면을 보여주는 SEM 이미지이다. 약 12㎛의 두께로 코팅된 것을 확인할 수 있다. 도 7b는 단면에 대한 EDS 조성분석 결과인데, 이를 통해 표면부에서는 검출되지 않았던 C 원자가 검출된다는 점과, Zn, Cr 등의 유리 분말 구성 성분과 안료의 구성 성분은 단면층에서도 검출된다는 점을 확인할 수 있다.

도 8은 EDS를 이용하여 위의 샘플 단면을 확대한 이미지이며, 이를 상부(푸른색 표시영역)와 하부(붉은색 표시영역)으로 나누어 부분적으로 원소 구성을 분석한 결과이다. 하부(붉은색)에서는 유리 기판의 영향으로 Na, Ca, Mg 등의 성분이 검출되지만 전체 구성 비율에 비해서는 금속성분(Cr, Zn 등)이 차지하는 비율이 적다. 즉 코팅층 상부에만 Zn 원소가 분포되어 있으며 Cr 원소도 상부에 상대적으로 많이 분포한다는 것을 알 수 있다. 즉, 표면부에 상대적으로 금속원소가 많이 분포되어 있다.

세라믹 코팅층을 형성하는 과정을 포함하여 유리패널을 제조하는 과정에 대한 개략적인 공정도가 도 9에 도시되어 있다. 본 공정은 크게 전처리 공정으로서 평판의 원판 유리를 절단 가공하여 세라믹 도료를 스크린 인쇄하고 건조시키는 과정과, 후처리 공정으로서 전처리된 유리를 600-700℃로 가열하여 3차원 형상으로 성형한 후 급냉을 시키는 과정으로 구성된다.

전처리 과정에서 세라믹 스크린 인쇄 시 세라믹 도료를 롤러 등을 이용하여 흡착시킨 후 건조한다. 이때 롤러에 작용하는 하중에 따라 도료의 유리분말이 유리 표면에 손상을 줄 수 있는 가능성을 상정해 볼 수도 있다. 또한, 가열, 성형 및 급냉 시 발생할 수 있는 잔류 응력과 코팅층과 유리층의 계면에서 발생될 수 있는 응력의 차이로 인해 추후 파손에 취약한 면이 야기될 수 있으며, 이는 유리층과 코팅층의 계면에 직접적인 균열이나 손상이 없거나 미미한 경우 고려할 수 있는 가장 중요한 요인이라고 판단된다.

구체적으로, 본 발명의 착안 과정에서 도출하였던 파노라마 선루프의 파손 원인은 크게 2가지이다. 첫째로, 세라믹 코팅층을 인쇄하고 가열, 성형 및 급냉하는 과정에서 강화유리와 세라믹 코팅층 사이의 계면에 제2상(The second phase)이 형성되어 기본 조직과 생성 조직 간의 부피 차이로 인한 변형에 의해 스트레스를 유발하여 외부에서 충격이 가해지는 경우 파손의 시작점으로 작용될 수 있다는 것이다. 둘째로, 세라믹 코팅층을 인쇄하고 가열, 성형 및 급냉하는 과정에 따른 소성변형으로, 강화유리와 세라믹 코팅층 계면에서 응력 차이가 극심하게 발생되어 종전 인위적으로 응력을 가해 소성변형을 시킨 강화유리의 기능이 저하되고 응력 차이로 인해 파손에 취약한 적층 구조가 형성될 수 있다는 것이다.

이에 본 발명은 위의 2가지 원인을 해결하기 위한 수단으로, 강화유리와 세라믹 코팅층 사이의 계면에 물리화학적으로 안정하면서도 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 소성 변형에 따른 응력(stress) 차이를 완화시킬 수 있는 코팅물질을 구성 성분으로 포함하는 버퍼층(buffer layer)를 형성함으로써, 화학적인 절연을 통해 계면에서 제2상이 형성되는 것을 억제하고(화학적 완충층, Chemical Buffer Layer), 적층 구조와 소성변형으로 인한 응력 차이를 완화하여(물리적 완충층, Physical Buffer Layer) 문제되고 있는 파노라마 선루프 유리패널의 파손을 효과적으로 방지하고자 한다.

상기 코팅물질은 위에서 언급한 바와 같이 물리적, 화학적으로 안정성을 가짐과 동시에 계면에서의 응력 차이를 완화시킬 수 있으면서도, 필요에 따라 적절한 특성(열전도도, 절연특성, 주파수 특성, 고온 안정성 등)을 지니는 다양한 물질을 채택하여 사용할 수 있다. 구체적으로는 금속/준금속/비금속 산화물이나 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, TiO₂, ZnO, Al₂O₃ 등의 산화물, AlN, GaN 등의 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 내화학성이 뛰어나고 강화유리 표면에의 코팅이 용이하며 가격이 저렴한 알루미나(Alumina, Al₂O₃)를 사용할 수 있다.

이때, 버퍼층의 두께는 0.1~5㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 두께가 0.1㎛ 미만으로 버퍼층이 형성되면 두께가 과도하게 얇게 되어 화학적/물리적 완충층으로서의 기능을 충분히 발휘할 수 없게 되며, 5㎛를 초과하게 되면 유리패널 전체의 중량이 높아져 차량의 악영향을 미칠 수 있고 비경제적이라는 문제가 있다.

한편, 버퍼층은 알루미나 성분을 포함하는 단일층으로 형성할 수 있으나, 필요에 따라 2 이상의 복수층(multi layer)의 형태로 강화유리와 세라믹 코팅층 사이에 형성될 수도 있다. 이때 복수층은 (i) 조성, 두께, 코팅조건 등을 달리하여 코팅된 버퍼층이 2 이상 연속적으로 적층되도록 구성하여 화학적인 절연 효과를 향상시키는 한편, 경사기능재료(Functionally Graded Materials, FGM)의 방식을 채택하여 단계적으로 기계적 응력 차이를 완화할 수 있고, (ii) 조성, 두께, 코팅조건 등을 달리하여 코팅되거나 동일하게 코팅되는 2 이상의 버퍼층을 강화유리 상부면에 세라믹 코팅층과 번갈아 코팅되도록 함으로써 더욱 효과적으로 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

이하 시뮬레이션 실험을 통해 간접적으로 본 발명의 해결 수단을 검증하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

<시뮬레이션 실험>

1. 비교예 모델에 대한 시뮬레이션 실험

(1) 비교예 모델 구조

도 10은 종래의 유리패널에 대응하는 비교예 모델이다. 실제 크기의 모델의 거동을 재현하기 곤란한 문제가 있으므로 간단한 모델을 이용하여 검증해보고자 한다. 유리(glass)와 세라믹 코팅층(soda-lime-silica glass)을 폭 50mm와 두께 5.012mm로 구성하였으며 이 중 세라믹 코팅층의 두께는 12㎛이며 유리층은 5mm이다. 성형을 위한 인덴터(indenter)는 곡률반경이 25mm인 원호를 가지도록 하였으며 경계조건으로는 보 구조의 양쪽 지지를 단순지지 형태로 설정하였으며 인덴터는 수직하중을 받고 있도록 하였다. 인텐터와 보는 접촉조건을 만족한다.

(2) 하중 조건

위에서 언급한 바와 같은 유리패널의 가공 공정에 대응하는 도 11과 같은 시뮬레이션 하중 조건을 부여하였다. 열 하중 조건과 기계적 하중 조건을 구분하여 초기 단계에서는 온도를 680℃로 증가시키는 동시에 인덴터를 3mm 아래 방향으로 이동시켜 인덴터와 보가 접촉상태를 이루도록 한 후, 급냉조건으로 온도를 20℃로 하강시키고 접촉상태는 유지하였다. 이 후 온도는 20℃로 유지한 채 인덴터를 약 2.6mm 상승시킨다. 이러한 하중 조건은 근사적으로 가열, 성형, 급냉에 대한 유리패널 가공 조건을 반영하고 있다.

(3) 재료 물성값

시뮬레이션 실험에 사용된 각 재료의 물성값은 도 12에 도시되어 있다. 도 12a는 열전도도(thermal conductivity), 도 12b는 탄성계수(modulus of elasticity)와 푸아송비(Poisson's ration), 도 12c는 열팽창계수(coefficient of thermal expansion), 도 12d는 항복응력(MPa)이상에서의 소성변형률에 관한 물성값이다. 유리층과 세라믹 코팅층에 대해 온도에 따른 물성값을 반영하였다. 유리는 680℃ 부근에서 소성거동하며 이때 도 12d에 도시된 바와 같은 소성변형률 변화를 나타내었다.

(4) 시뮬레이션 결과

위의 내용을 바탕으로 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 성형 및 굽힘 하중에 의해 변형이 발생하므로 최대 변형이 발생되는 위치와 실제로 문제가 되고 있는 위치 각각에 대한 굽힘응력(bending stress, σ₁₁)과 전단응력(shearing stress, σ₁₂) 값을 측정하였으며 시뮬레이션 결과는 도 13에 도시되어 있다.

측정 위치는, 첫째로 최대 굽힘 모멘트가 발생되는 보의 중간지점과, 둘째로 왼쪽 단순지지 경계로부터 왼쪽 대칭 길이의 1/3에 해당하는 지점이다. 냉각 후 보는 휨 상태를 유지하고 있었으며 잔류 응력이 발생한 결과, 중간위치에서는 세라믹 코팅층에서 약 209.75 MPa의 압축응력이 나타났으며, 유리층 계면에서 약 21.52 MPa의 인장응력이 발생하였고, 왼쪽위치에서는 세라믹 코팅층에서 약 14.63 MPa의 압축응력이 나타났으며, 유리층 계면에서 약 3.98 MPa의 인장응력이 발생하였다.

위 결과를 볼 때, 전체적으로 유리층은 인장력을 받고 있으며 유리층과 코팅층의 계면의 경우에는 중간위치에서 약 230 MPa의 응력 차이가, 왼쪽위치에서 약 19 MPa의 응력 차이가 발생한 것을 알 수 있다.

결론적으로, 후처리 공정 후 유리는 강화유리의 특성에 반하여 인장을 받는 원판유리가 되므로 원판 유리보다도 파손에 더 취약한 기계적 하중을 받는 환경이 된다. 또한, 인장력을 받는 유리층과 압축력을 받는 코팅층의 적층 구조로 형성되는 응력 차이가 상당한 수준에 육박한다는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 사실에 비추어 볼 때, 세라믹 코팅층과 유리층 계면에서 발생하는 계면 응력 차이와 인장 응력을 받아 강화유리의 특성이 손실되는 유리층으로 인해 일련의 파손 문제가 야기되는 것으로 판단된다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이 화학적으로 계면에서 제2상이 형성될 경우 이러한 현상이 가속화될 수 있다.

2. 실시예 모델에 대한 시뮬레이션 실험

(1) 실시예 모델 구조

계면에서 발생하는 응력의 차이를 완화하여 위의 비교예 모델에서 발생된 문제점을 해소하여 기계적 강도를 증가시키는 구조로서 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리패널에 대응하는 실시예 모델에 대한 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 본 실시예 모델은 도 14에 도시되어 있다.

알루미나를 포함하는 버퍼층(buffer layer)은 물리화학적으로 세라믹과 유리의 접합이 낮은 온도에서도 가능하도록 하여 접합성을 향상시킴과 동시에 열처리로 인한 열적 하중을 줄일 수 있고, 기계적 강도 측면에서도 응력의 차이를 완화하는 역할을 수행할 수 있으며, 화학적으로도 매우 안정하여 코팅층과 유리층 사이의 계면에서 제2상이 생성되는 것을 억제할 수 있다.

동일한 조건으로 모델을 구성하되, 세라믹 코팅층을 11㎛로 두께를 줄여 1㎛의 버퍼층을 계면에 구성하였다. 경계조건과 하중조건은 위의 비교예 모델의 경우와 동일하다.

(2) 시뮬레이션 결과

개선된 실시예 모델로 수행된 시뮬레이션 실험의 결과가 도 15에 도시되어 있다. 위의 비교예 모델의 경우와 동일한 방식으로 시뮬레이션을 수행하여 각 위치에서 응력을 측정하였으며, 비교예 모델에 대한 시뮬레이션에서 굽힘응력이 전단응력에 비하여 현저히 크게 측정된 것을 감안하여 실시예 모델에 대해서는 굽힘응력만을 측정하였다.

측정 결과, 중간위치에서는 세라믹 코팅층에서 211.68 MPa의 압축응력이, 유리층 계면에서 22.48 MPa의 인장응력이, 버퍼층에서 39.42 MPa의 압축응력이 발생하였으며, 왼쪽위치에서는 세라믹 코팅층에서 14.63 MPa의 압축응력이, 유리층 계면에서 3.98 MPa의 인장응력이, 버퍼층에서 2.62 MPa의 압축응력이 발생하였다.

버퍼층을 유리층과 코팅층 계면에 삽입함으로써 유리 전체가 인장력을 받는다는 사실이 달라지는 것은 아니지만, 유리층과 코팅층 간의 응력차이는 버퍼층의 삽입으로 인해 상대적으로 크게 감소하였다. 즉, 비교예 모델(유리층과 코팅층 간의 차이)에서는 중간위치에서 약 230 MPa의 응력 차이가, 왼쪽위치에서 약 19 MPa의 응력 차이가 발생하였으나, 실시예 모델(버퍼층과 유리층 간의 차이)에서는 중간위치에서 약 60 MPa의 응력차이가, 왼쪽위치에서 약 6 MPa의 응력차이가 발생하였다. 결과적으로, 응력 차이가 중간위치에서는 약 25% 수준으로, 왼쪽위치에서는 약 30% 수준으로 감소된 것을 볼 수 있었다.

또한, 실시예 모델과 비교예 모델에 동일한 하중 조건을 가하여 시뮬레이션 실험을 수행하였으나, 위에서 언급한 바와 같이 실제로는 버퍼층 삽입으로 인해 접착성이 향상되기 때문에 하중 조건 수준의 높은 성형 온도가 요구되지 않게 되므로, 실제 나타나는 잔류 응력 및 계면의 굽힘응력은 시뮬레이션 결과에서 나타난 것보다 더욱 개선될 것으로 예상된다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1 : 디플렉터
2 : 이동 글래스
3 : 고정 글래스

Claims

차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(Panoramic glassroof) 유리패널의 파손을 방지하기 위한 버퍼층(buffer layer)에 있어서,
상기 버퍼층은 상기 유리패널을 구성하는 강화유리(tempered glass) 상부면에 세라믹 코팅층이 형성된 영역에 있어 상기 강화유리와 세라믹 코팅층의 계면에 형성되며, 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 산화물, 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 코팅물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층.
삭제
제1항에 있어서,
상기 코팅물질은 ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 산화물, AlN, GaN로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층.
제1항에 있어서,
상기 코팅물질은 알루미나(Alumina, Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 파손 방지용 버퍼층.
차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(panorama sunroof) 유리패널에 있어서,
강화유리;
상기 강화유리의 상부면 전체 또는 일부 영역에 코팅된 버퍼층; 및
상기 버퍼층이 형성된 영역에 코팅된 세라믹 코팅층; 을 포함하며,
상기 버퍼층은 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 산화물, 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 코팅물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
삭제
제6항에 있어서,
상기 코팅물질은 ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 산화물, AlN, GaN로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
제6항에 있어서,
상기 코팅물질은 알루미나(Alumina, Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
제6항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
제6항에 있어서,
상기 버퍼층은 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 사이에 2 이상의 복수층(multi layer)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
제11항에 있어서,
상기 복수층은 상기 버퍼층이 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 사이에 2 이상이 연속적으로 적층되어 형성되거나, 상기 강화유리의 상부면에 2 이상의 상기 버퍼층과 세라믹 코팅층이 번갈아 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널.
차량의 상부면에 장착되는 파노라마 선루프(panorama sunroof) 유리패널의 제조방법에 있어서,
강화유리 원판을 절단 가공하는 전처리 단계(S10);
전처리된 강화유리 상부면 전체 또는 일부 영역에 구성 성분으로 물리화학적으로 안정하고 상기 강화유리와 세라믹 코팅층 간의 응력 차이를 완화시킬 수 있는 산화물, 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 코팅물질을 포함하는 버퍼층을 코팅하는 버퍼층 형성단계(S20);
상기 버퍼층이 코팅된 영역에 세라믹 코팅층을 코팅하는 세라믹 코팅층 형성단계(S30); 및
버퍼층과 세라믹 코팅층이 적층 코팅된 강화유리를 가열, 성형 및 냉각하는 후처리 단계(S40);
를 포함하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.
삭제
제13항에 있어서,
상기 코팅물질은 ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 산화물, AlN, GaN로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 질화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물(산질화물)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 코팅물질은 알루미나(Alumina, Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 버퍼층 형성단계(S20)에서 코팅되는 버퍼층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 버퍼층 형성단계(S20)에서 2 이상의 버퍼층이 연속적으로 코팅되어 복수층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 버퍼층 형성단계(S20)와 세라믹 코팅층 형성단계(S30)가 번갈아 수행되어 상기 강화유리 상부면에 2 이상의 상기 버퍼층과 세라믹 코팅층이 번갈아 코팅되는 것을 특징으로 하는 파노라마 선루프 유리패널의 제조방법.